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摘 要：2020年3月，中国城市轨道交通协会发布了《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》，为智慧城轨的发展战略、建设目标、重点任务等提供了思路。在此基础上，本文对城市轨道交通基础设施运维现状进行了介绍，概括了当前运维中存在的主要问题。从“监”“检”“修”“管”4个维度，分析了智慧城轨下基础设施智能运维的需求，并对智能运维的关键技术进行介绍。对城市轨道交通基础设施智能运维未来趋势进行了展望。
关键词：智慧城轨 基础设施 智能运维 智能检修
中图分类号：U284.48 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）07（a）-0094-03
Present Situation and Prospect of Infrastructure Operation and Maintenance for Smart Urban Rail Transit
WANG Jun YUAN Chao
（Zhuzhou CRRC Times Electric Co.， Ltd.， Zhuzhou， Hunan Province， 412000 China）
Abstract： In March 2020， China Association of Metros issued the Development Outline of Smart Urban Rail Transit in China， which provides ideas for the development strategy， construction objectives and key tasks of smart urban rail. On this basis， this paper introduces the current situation of urban rail transit infrastructure operation and maintenance， and summarizes the main problems existing in the current operation and maintenance. From the four dimensions of "supervision"， "inspection"， "repair" and "management"， this paper analyzes the requirements of intelligent operation and maintenance of infrastructure under the track of smart city， and introduces the key technologies of intelligent operation and maintenance. The future trend of intelligent operation and maintenance of urban rail transit infrastructure is prospected.
Key Words： Smart urban rail transit; Transit infrastructure; Intelligent operation and maintenance; Intelligent maintenance
近几年来，中国城市轨道交通快速发展。到2020年底，全国共44个城市开通运营城市轨道交通，线路共计233条，总里程7545.5km。2016—2019年每年全国城市轨道交通新增里程535km、880km、728km、975km，年均增长率达到16.8%[1]，而在2020年，我国新增运营里程1240.3km，较2019年增长20.1%，运营里程持续高速增长。伴随着城轨规模的快速增长，基础设施数量急剧增加，相应地，基础设施运维的压力也越来越大，传统的运维模式在安全、效率、经济等方面的不足逐渐显现。利用云计算、大数据、人工智能、5G等新兴技术，为城市轨道交通建设、运营、维护摸索出一条新路，成为行业内研究的热点。2020年3月，中国城市轨道交通协会发布了《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》（以下简称《纲要》），不仅第一次明确地提出了发展智慧城轨的是城市轨道交通的發展方向，更为智慧城轨规划了“1-8-1-1”[2]的布局结构，如图1所示，成为发展智慧城轨的重要参考。针对传统运维模式存在的问题，以建设智慧城轨为基本目标，结合新技术，提出智慧城轨框架下的基础设施智能运维思路。
1 基础设施运维现状分析
城市轨道交通基础设施庞大而繁复，涉及多个专业，大量设施设备。这些设施/设备的正常运作对城轨安全运营至关重要。及时发现排除故障和隐患，是城轨基础设施运维的根本目标[3]。
1.1 基础设施运维现状
传统的运维模式以分专业“检”“修”为主，采用定期巡检和故障维修的模式，根据规章修程，在“天窗期”对基础设施进行周期性检查，检查的方式以人工为主。为弥补人工效率不足，近年来，专门的检测车辆得到了大量的应用，检测车辆采用城轨车辆或专门的工程车为载体，搭载特定检测装置，以较快的速度进行作业，一定程度上缓解了当前城轨基础设施运维的压力。
作业过程中产生的数据，基本由最初的纸质记录变成了电子文档保存。随着中国互联网技术的发展，许多地铁公司都为各专业的基础设施运维开发了繁简不一的信息化系统。时至今日，信息化仍是城轨智能运维发展的重要支撑，但发展程度不高，纸质/电子形式的数据记录情况仍然存在。
1.2 基础设施运维存在的问题 城轨基础设施运维虽然较最初的运维形式，已经有很大进步，但仍存在以下一些问题。
（1）设备设施运维大量依赖人工，运营成本高;同时人工检修效率低，难以满足日益增长的运营需要。
（2）“计划检/修”导致过度检/修，造成资源的浪费，且周期性检修作业无法及时发现病害，在检修空档期发生故障。而“故障修”又会影响城轨正常运营。
（3）各专业独立运维，造成人员和设备的浪费。各专业独立开发的信息化系统“烟囱”林立，既重复建设，增加投入和维护成本，又形成数据孤岛，难以充分利用数据、无法发挥信息化优势。
（4）应对环境、自然灾害的影响能力不足。
2 智慧城轨下基础设施智能运维需求分析
安全、高效、经济是智慧城轨下基础设施运维的主要目标。与传统运维中的“检”“修”不同，智能运维从“监”“检”“修”“管”4个维度着手，通过装备升级、技术创新、流程优化，构造智慧城轨下基础设施运维解决方案[4]。
2.1 “监”的需求
监测是利用传感器技术、物联网技术、边缘计算技术等，对基础设施状态、地质气候等线路周边自然环境、异物入侵等进行实时感知并上报。在《纲要》中，在线监测更多的属于智能基础设施体系。实时在线监测的优点有以下3点。
（1）及时性。在线监测可以全天24h感知设施/设备/环境状态，对异常情况实时反馈，并在第一时间得到处理。
（2）非挤占式运维。在线监测既不影响正常运营，也不占用“天窗期”时间，可以将宝贵的“天窗”时间留给其他检修作业。
（3）可预测性。基于实时感知得到的海量数据，利用人工智能技术进行深度挖掘，对故障/病害进行预测，实现状态修。
尽管实时在线监测的优势明显，但受限于传感器技术发展水平和通过数据进行状态评估的理论基础，在线监测技术还无法广泛应用。
2.2 “检”的需求
《纲要》中，巡检属于智能运维安全体系。在智慧城轨框架下，要逐步降低人工巡检劳动强度，减少巡检人员数量，最终完全取消人工巡检;实现多专业融合的综合巡检;减少巡检对“天窗期”的依赖。
2.3 “修”的需求
“状态修”是智能运维的理想状态，但偶发导致的故障不可避免。及时的响应、快速的问题定位、智能化的专家指导、高效的维修施工、完善的闭环验收机制是智能运维中“修”的目标。
2.4 “管”的需求
以城轨云和大数据为平台，进行线网级的综合智能运维，实现基础设施运维管理的信息化、智能化、精益化、可视化。围绕数据，通过对数据的收集、分析，即时推送、分级响应，为运维提供决策支持，并辅助现场作业。
3 智慧城轨下基础设施智能运维的关键技术
3.1 在线监测关键技术
3.1.1 实时在线感知技术
针对不同的基础设施，设计关键参数采集方案，包括采集项点、采集位置、传感器类型、数据传输方案等。利用传感器技术、视频监测技术、卫星遥感技术、物联网技术、边缘计算技术等，实现基础设施状态实时感知。在线监测要做到合理设计，既要考虑施工性，也要避免线路设置大量监测设备后造成过多的额外运维工作[5]。
3.1.2 基础设施状态评价体系
利用数学模型计算、图片识别技术、人工智能等，结合在线感知数据，多专业的数据融合分析，对基础设施状态进行判别。预测设施故障、分析故障原因，提供运维决策支持。
3.2 新型巡检装备
智慧城轨下，不同的地铁公司会根据线网运营的实际情况，选择运维方式，基础设施的智能运维仍然不会完全摒弃巡检作业。但巡检装备会不断的进步，新型巡检装备包括机器人巡检、自走行检测小车、多功能综合巡检车、电客车为载体的基础设施巡检系统等。
3.2.1 机器人巡检
利用机器人平台，搭载检测设备，在“天窗期”自主巡检，实现巡检的智能化、无人化。机器人巡检要重点保证安全可靠，不破坏基础设施、不掉落部件，不在线路上宕机。
3.2.2 自走行检测小车
以小型带动力车体为平台，可灵活地配置不同巡检/作业装置，既可以实现类似机器人的无人作业，也可以载人作业。与机器人相比，自走行小车可以有人全程参加，能够快速进行突发事件处置。小车也可以快速改装成为人员代步或运输工具。
3.2.3 多功能综合巡检车
巡检车向功能集中方向发展。集成线路、供电、信号、通信等多专业巡检设备的综合巡检车，通过一次作业，对多专业基础设施状态数据同时采集，综合分析。新型综合巡检车可以有效压缩“天窗期”占用，合并司乘人员，并通过FAO、自动化作业，进一步减少人员配置。
3.2.4 电客车为载体的基础设施巡检
与多功能综合巡检车类似，将多种基础设施检测设备集成到电客车上，在电客车运行过程中完成检测作业，释放“天窗期”，减少作业人员。该方案需要解决检测设备小型化、处理器集成化、通信高速化、作业自动化的问题。
3.3 维修的关键技术
3.3.1 智能化的作业设备
以安全、高效、节能为主要目标，研制智能化工装和机械，实现快速精准的基础设施维修。
3.3.2 专家系统
利用专家系统，根据基础设施状态数据，对故障成因进行分析，对故障影响进行评估，为维修提供技术指导。
3.4 智能化管理的关键技术
3.4.1 BIM技术
建立基于BIM模型的基础设施管理平台，实现资产管理的可视化。结合实时监测和巡检数据，在BIM模型上直观呈现基础设施状态，提高运维效率[6]。
3.4.2 智能化作业过程管控
以工作流的机制对现场作业进行管控。管理平台可以自动或手动下发作业任务和数据到智能终端，同步下发的还可以包括智能诊断结果和专家处理意见。作业过程可以拍照或摄像进行存档备案，以保证作业的规范性，结果可以通过终端上传，实现闭环。
3.4.3 精益化的资产和库存管理
在状态检/修的基础上，实现基础设施的全生命周期管理。实时判断设施健康状态，时刻保持设施状态良好，避免过度检修带来的浪费。同时，根据对设施状态的预测结果，精准调整配件库存，降低成本。
4 结语
在物联网、云计算、大数据、人工智能等技术快速发展的背景下，城轨基础设施的运维将越来越智能。用先进的技术手段和设备可以完全取代或大幅减少人工，降低运维成本，并由此带来安全、效率的大幅提升。信息化、流程化、自动化、智能化、无人化将是智慧城轨下基础设施运维的主要发展方向。
参考文献
[1] 崔学忠.城市轨道交通运营发展情况总结与展望[J].城市轨道交通，2020（10）：24-26.
[2] 中国城市轨道交通协会.中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要[G].2020.
[3] 陈文.城市軌道交通运营安全风险管控研究[D].北京：北京交通大学，2020.
[4] 于鑫.基于智能高铁建设实践的智慧城轨整体设计方案研究[J].现代城市轨道交通，2020（8）：1-7.
[5] 何奉禄，陈佳琦，李钦豪，等.智能电网中的物联网技术应用与发展[J].电力系统保护与控制，2020，48（3）：58-69.
[6] 罗文城.BIM技术在装配式建筑质量管理中的应用[D].南昌：南昌大学，2020.
关键词：智慧城轨 基础设施 智能运维 智能检修
中图分类号：U284.48 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）07（a）-0094-03
Present Situation and Prospect of Infrastructure Operation and Maintenance for Smart Urban Rail Transit
WANG Jun YUAN Chao
（Zhuzhou CRRC Times Electric Co.， Ltd.， Zhuzhou， Hunan Province， 412000 China）
Abstract： In March 2020， China Association of Metros issued the Development Outline of Smart Urban Rail Transit in China， which provides ideas for the development strategy， construction objectives and key tasks of smart urban rail. On this basis， this paper introduces the current situation of urban rail transit infrastructure operation and maintenance， and summarizes the main problems existing in the current operation and maintenance. From the four dimensions of "supervision"， "inspection"， "repair" and "management"， this paper analyzes the requirements of intelligent operation and maintenance of infrastructure under the track of smart city， and introduces the key technologies of intelligent operation and maintenance. The future trend of intelligent operation and maintenance of urban rail transit infrastructure is prospected.
Key Words： Smart urban rail transit; Transit infrastructure; Intelligent operation and maintenance; Intelligent maintenance
近几年来，中国城市轨道交通快速发展。到2020年底，全国共44个城市开通运营城市轨道交通，线路共计233条，总里程7545.5km。2016—2019年每年全国城市轨道交通新增里程535km、880km、728km、975km，年均增长率达到16.8%[1]，而在2020年，我国新增运营里程1240.3km，较2019年增长20.1%，运营里程持续高速增长。伴随着城轨规模的快速增长，基础设施数量急剧增加，相应地，基础设施运维的压力也越来越大，传统的运维模式在安全、效率、经济等方面的不足逐渐显现。利用云计算、大数据、人工智能、5G等新兴技术，为城市轨道交通建设、运营、维护摸索出一条新路，成为行业内研究的热点。2020年3月，中国城市轨道交通协会发布了《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》（以下简称《纲要》），不仅第一次明确地提出了发展智慧城轨的是城市轨道交通的發展方向，更为智慧城轨规划了“1-8-1-1”[2]的布局结构，如图1所示，成为发展智慧城轨的重要参考。针对传统运维模式存在的问题，以建设智慧城轨为基本目标，结合新技术，提出智慧城轨框架下的基础设施智能运维思路。
1 基础设施运维现状分析
城市轨道交通基础设施庞大而繁复，涉及多个专业，大量设施设备。这些设施/设备的正常运作对城轨安全运营至关重要。及时发现排除故障和隐患，是城轨基础设施运维的根本目标[3]。
1.1 基础设施运维现状
传统的运维模式以分专业“检”“修”为主，采用定期巡检和故障维修的模式，根据规章修程，在“天窗期”对基础设施进行周期性检查，检查的方式以人工为主。为弥补人工效率不足，近年来，专门的检测车辆得到了大量的应用，检测车辆采用城轨车辆或专门的工程车为载体，搭载特定检测装置，以较快的速度进行作业，一定程度上缓解了当前城轨基础设施运维的压力。
作业过程中产生的数据，基本由最初的纸质记录变成了电子文档保存。随着中国互联网技术的发展，许多地铁公司都为各专业的基础设施运维开发了繁简不一的信息化系统。时至今日，信息化仍是城轨智能运维发展的重要支撑，但发展程度不高，纸质/电子形式的数据记录情况仍然存在。
1.2 基础设施运维存在的问题 城轨基础设施运维虽然较最初的运维形式，已经有很大进步，但仍存在以下一些问题。
（1）设备设施运维大量依赖人工，运营成本高;同时人工检修效率低，难以满足日益增长的运营需要。
（2）“计划检/修”导致过度检/修，造成资源的浪费，且周期性检修作业无法及时发现病害，在检修空档期发生故障。而“故障修”又会影响城轨正常运营。
（3）各专业独立运维，造成人员和设备的浪费。各专业独立开发的信息化系统“烟囱”林立，既重复建设，增加投入和维护成本，又形成数据孤岛，难以充分利用数据、无法发挥信息化优势。
（4）应对环境、自然灾害的影响能力不足。
2 智慧城轨下基础设施智能运维需求分析
安全、高效、经济是智慧城轨下基础设施运维的主要目标。与传统运维中的“检”“修”不同，智能运维从“监”“检”“修”“管”4个维度着手，通过装备升级、技术创新、流程优化，构造智慧城轨下基础设施运维解决方案[4]。
2.1 “监”的需求
监测是利用传感器技术、物联网技术、边缘计算技术等，对基础设施状态、地质气候等线路周边自然环境、异物入侵等进行实时感知并上报。在《纲要》中，在线监测更多的属于智能基础设施体系。实时在线监测的优点有以下3点。
（1）及时性。在线监测可以全天24h感知设施/设备/环境状态，对异常情况实时反馈，并在第一时间得到处理。
（2）非挤占式运维。在线监测既不影响正常运营，也不占用“天窗期”时间，可以将宝贵的“天窗”时间留给其他检修作业。
（3）可预测性。基于实时感知得到的海量数据，利用人工智能技术进行深度挖掘，对故障/病害进行预测，实现状态修。
尽管实时在线监测的优势明显，但受限于传感器技术发展水平和通过数据进行状态评估的理论基础，在线监测技术还无法广泛应用。
2.2 “检”的需求
《纲要》中，巡检属于智能运维安全体系。在智慧城轨框架下，要逐步降低人工巡检劳动强度，减少巡检人员数量，最终完全取消人工巡检;实现多专业融合的综合巡检;减少巡检对“天窗期”的依赖。
2.3 “修”的需求
“状态修”是智能运维的理想状态，但偶发导致的故障不可避免。及时的响应、快速的问题定位、智能化的专家指导、高效的维修施工、完善的闭环验收机制是智能运维中“修”的目标。
2.4 “管”的需求
以城轨云和大数据为平台，进行线网级的综合智能运维，实现基础设施运维管理的信息化、智能化、精益化、可视化。围绕数据，通过对数据的收集、分析，即时推送、分级响应，为运维提供决策支持，并辅助现场作业。
3 智慧城轨下基础设施智能运维的关键技术
3.1 在线监测关键技术
3.1.1 实时在线感知技术
针对不同的基础设施，设计关键参数采集方案，包括采集项点、采集位置、传感器类型、数据传输方案等。利用传感器技术、视频监测技术、卫星遥感技术、物联网技术、边缘计算技术等，实现基础设施状态实时感知。在线监测要做到合理设计，既要考虑施工性，也要避免线路设置大量监测设备后造成过多的额外运维工作[5]。
3.1.2 基础设施状态评价体系
利用数学模型计算、图片识别技术、人工智能等，结合在线感知数据，多专业的数据融合分析，对基础设施状态进行判别。预测设施故障、分析故障原因，提供运维决策支持。
3.2 新型巡检装备
智慧城轨下，不同的地铁公司会根据线网运营的实际情况，选择运维方式，基础设施的智能运维仍然不会完全摒弃巡检作业。但巡检装备会不断的进步，新型巡检装备包括机器人巡检、自走行检测小车、多功能综合巡检车、电客车为载体的基础设施巡检系统等。
3.2.1 机器人巡检
利用机器人平台，搭载检测设备，在“天窗期”自主巡检，实现巡检的智能化、无人化。机器人巡检要重点保证安全可靠，不破坏基础设施、不掉落部件，不在线路上宕机。
3.2.2 自走行检测小车
以小型带动力车体为平台，可灵活地配置不同巡检/作业装置，既可以实现类似机器人的无人作业，也可以载人作业。与机器人相比，自走行小车可以有人全程参加，能够快速进行突发事件处置。小车也可以快速改装成为人员代步或运输工具。
3.2.3 多功能综合巡检车
巡检车向功能集中方向发展。集成线路、供电、信号、通信等多专业巡检设备的综合巡检车，通过一次作业，对多专业基础设施状态数据同时采集，综合分析。新型综合巡检车可以有效压缩“天窗期”占用，合并司乘人员，并通过FAO、自动化作业，进一步减少人员配置。
3.2.4 电客车为载体的基础设施巡检
与多功能综合巡检车类似，将多种基础设施检测设备集成到电客车上，在电客车运行过程中完成检测作业，释放“天窗期”，减少作业人员。该方案需要解决检测设备小型化、处理器集成化、通信高速化、作业自动化的问题。
3.3 维修的关键技术
3.3.1 智能化的作业设备
以安全、高效、节能为主要目标，研制智能化工装和机械，实现快速精准的基础设施维修。
3.3.2 专家系统
利用专家系统，根据基础设施状态数据，对故障成因进行分析，对故障影响进行评估，为维修提供技术指导。
3.4 智能化管理的关键技术
3.4.1 BIM技术
建立基于BIM模型的基础设施管理平台，实现资产管理的可视化。结合实时监测和巡检数据，在BIM模型上直观呈现基础设施状态，提高运维效率[6]。
3.4.2 智能化作业过程管控
以工作流的机制对现场作业进行管控。管理平台可以自动或手动下发作业任务和数据到智能终端，同步下发的还可以包括智能诊断结果和专家处理意见。作业过程可以拍照或摄像进行存档备案，以保证作业的规范性，结果可以通过终端上传，实现闭环。
3.4.3 精益化的资产和库存管理
在状态检/修的基础上，实现基础设施的全生命周期管理。实时判断设施健康状态，时刻保持设施状态良好，避免过度检修带来的浪费。同时，根据对设施状态的预测结果，精准调整配件库存，降低成本。
4 结语
在物联网、云计算、大数据、人工智能等技术快速发展的背景下，城轨基础设施的运维将越来越智能。用先进的技术手段和设备可以完全取代或大幅减少人工，降低运维成本，并由此带来安全、效率的大幅提升。信息化、流程化、自动化、智能化、无人化将是智慧城轨下基础设施运维的主要发展方向。
参考文献
[1] 崔学忠.城市轨道交通运营发展情况总结与展望[J].城市轨道交通，2020（10）：24-26.
[2] 中国城市轨道交通协会.中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要[G].2020.
[3] 陈文.城市軌道交通运营安全风险管控研究[D].北京：北京交通大学，2020.
[4] 于鑫.基于智能高铁建设实践的智慧城轨整体设计方案研究[J].现代城市轨道交通，2020（8）：1-7.
[5] 何奉禄，陈佳琦，李钦豪，等.智能电网中的物联网技术应用与发展[J].电力系统保护与控制，2020，48（3）：58-69.
[6] 罗文城.BIM技术在装配式建筑质量管理中的应用[D].南昌：南昌大学，2020.